適宜綠洲規(guī)模數(shù)學(xué)模型的比較研究
——以且末為例

阿布都熱合曼·哈力克，木卡達(dá)斯·阿不都熱合曼，丁 玥

(新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830046)

0 引 言

綠洲是干旱地區(qū)動植物及人類生活的集中區(qū)域，具有獨(dú)特的自然生態(tài)價值和社會發(fā)展意義。全球干旱地區(qū)面積約占總面積的30%，在我國干旱、半干旱地區(qū)，90%以上的社會財富產(chǎn)生于綠洲生存。例如，新疆綠洲聚集了該地區(qū)95%以上的人口和大多數(shù)社會財富，而面積僅占新疆土地總面積的4%[1]。綠洲始終是干旱地區(qū)三大系統(tǒng)的中心，如山地 - 沙漠 - 綠洲。但是，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和綠洲的進(jìn)一步開發(fā)，綠洲系統(tǒng)的承載能力下降，綠洲的穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展問題突出。這是人類長期為了滿足經(jīng)濟(jì)利益的需求，而忽視綠洲生態(tài)環(huán)境對綠洲經(jīng)濟(jì)的影響作用[2-8]。綠洲是干旱地區(qū)人類開展社會生活的基地，其發(fā)展規(guī)模是否適宜，將直接關(guān)系到綠洲經(jīng)濟(jì)生態(tài)之間的可持續(xù)發(fā)展。

國內(nèi)眾多學(xué)者已經(jīng)開始探索研究綠洲適宜規(guī)模的方法和模型，以簡明、快捷的方式判斷綠洲宏觀水資源的開發(fā)利用，期望可以探索出最合理的適宜綠洲規(guī)模的數(shù)學(xué)模型，對研究干旱區(qū)綠洲適宜規(guī)模與可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。本文使用兩種較常用的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行實(shí)證分析，分別計算分析得出且末綠洲的適宜發(fā)展規(guī)模和適宜耕地發(fā)展面積，為當(dāng)?shù)貨Q策者在區(qū)域規(guī)劃和水土資源開發(fā)利用方面提供了科學(xué)參考。

1 適宜綠洲規(guī)模研究進(jìn)展

目前，在國外對干旱區(qū)綠洲適宜規(guī)模的關(guān)注度不高，主要熱點(diǎn)聚集在綠洲生態(tài)用水量、作物需水量和河流用水量等范圍。Moran和Clarke[9]利用大氣表面溫度與光譜植被指數(shù)之間的關(guān)系計算分析得出了作物缺水情況；Monireh和Rainer[10]模擬了伊朗旱地小麥產(chǎn)量和灌溉水資源的利用和消費(fèi)。

早在80年代末到90年代初，綠洲規(guī)模(主要是耕地面積)和水資源的關(guān)系開始被提出，此階段由于受適宜綠洲理論與方法的限制，綠洲規(guī)模研究主要剖析綠洲規(guī)模[11](主要是耕地面積)和水資源等影響要素之間的簡單線形關(guān)系，研究區(qū)域主要集中于塔里木盆地。姜德華和王國清[12]對塔里木河流域庫車綠洲進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：綠洲農(nóng)田灌溉規(guī)模的大小取決于綠洲的引水量和水資源利用效率，并建立了引水量和灌溉面積之間的關(guān)系。研究表明：庫車縣灌區(qū)每增加一畝灌溉面積，引水量就增加870 m3，庫車綠洲灌溉定額相對較高，通過提高用水效率、改善灌溉條件，可以擴(kuò)大灌溉面積。依據(jù)干旱地區(qū)內(nèi)陸河流域水資源利用情況，用地表水和地下水開發(fā)利用的水量[13]計算出傳統(tǒng)地表灌溉方法及其相應(yīng)的適宜綠洲面積所承載的灌溉面積。

1990年，陳昌毓[14]首先提出了適合綠洲規(guī)模的水量平衡模型，并計算了石羊河、黑河和疏勒河三條河流流域14個縣市的綠洲適宜規(guī)模、適宜耕地面積[15]。在此期間還提出了綠洲適宜規(guī)模模型。在21世紀(jì)以來，王忠靜等人[16]提出了適合綠洲規(guī)模的水熱平衡模型，并研究了河西走廊的石羊河，黑河和疏勒河流域，利用構(gòu)建的數(shù)據(jù)指標(biāo)體系，計算得出綠洲適宜規(guī)模公式。郭明和李新等人[17]利用水量平衡法分析了1986年和2000年酒泉綠洲的適宜規(guī)模和安全系數(shù)；黃玲梅等[18]利用水熱平衡法分析出和田河綠洲適宜的規(guī)模和灌溉面積。

2 適宜綠洲規(guī)模的數(shù)學(xué)模型

目前，計算適宜綠洲規(guī)模面積最常用的是水量和水熱平衡法。

(1)水量平衡法。水量平衡法是根據(jù)實(shí)際年水資源可利用度H和單位綠洲面積的年生態(tài)需水量H′的供需差ΔH來確定現(xiàn)有綠洲面積是否適度的水分指標(biāo)，ΔH確定現(xiàn)有的水資源利用度，以綠洲規(guī)模擴(kuò)大或縮小的綠洲面積為ΔS，年可利用實(shí)際水資源來計算適宜綠洲面積S′的計算式為：

ΔS=S·ΔH/H′

(1)

S′=S+ΔS

(2)

S′=S·H/H′

(3)

式中：S′表示綠洲的適宜面積，km2；S表示現(xiàn)有的綠洲面積，km2；H表示每單位面積的實(shí)際水資源可用量，m3/km2；H′表示每單位面積的綠洲生態(tài)需水量，m3/km2。

一個生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的綠洲結(jié)構(gòu)，農(nóng)田、草地、林地及生物覆蓋率都是適宜的，其中：農(nóng)田、草地、林地的比例應(yīng)占森林的10%，草地和多年生植物覆蓋達(dá)到50%至60%(Kobda[19])。只有保持綠洲的長期穩(wěn)定，才能確保農(nóng)業(yè)的高產(chǎn)和穩(wěn)定生產(chǎn)。

耕地的需水狀況是由作物的需水量或作物的灌溉定額所決定。若要確定60%綠洲地區(qū)的水資源，先確定耕地面積為適宜的綠洲耕地面積(S′)。計算公式如下：

(4)

式中：h表示耕地灌溉定額，m3/km2；S″表示耕地的適宜面積，km2。

⑵ 水熱平衡法。綠洲是沙漠背景下“空調(diào)”，水資源分布的情況及面積大小是衡量干旱區(qū)水熱平衡的重要影響因素。本文借鑒王忠靜等在綠洲水熱平衡指數(shù)研究基礎(chǔ)上得出適宜規(guī)模的綠洲水熱平衡模型：

(5)

(6)

Ac=A·kt

(7)

式中：A代表適宜綠洲規(guī)模，km2；An代表現(xiàn)有的綠洲規(guī)模，km2；H0稱之為“綠度”，代表著綠洲綠色指數(shù)或綠洲穩(wěn)定性指數(shù)，是運(yùn)用于反映綠洲水熱平衡關(guān)系的中小尺度指標(biāo)，其值越小，水分脅迫越大，綠色穩(wěn)定性越低，反之則亦然；W代表綠洲的年平均凈水資源。從水資源規(guī)劃的角度來看，是綠洲的分配客流水量，億m3；W1代表綠洲中綠洲工業(yè)，人類和牲畜的年凈消費(fèi)量，并不會有助于綠洲植被的生長。應(yīng)從水熱平衡中扣除，億m3；ET0是根據(jù)Penman公式計算出的參考作物蒸發(fā)蒸騰量，mm；r是綠洲的年降水量，mm；Kp是反映植物生存對水需求的參照標(biāo)準(zhǔn)，也可表示各種作物系數(shù)加權(quán)平均值的影響的參數(shù)代表綠洲主要植物的綜合植物系數(shù)，它；H0代表綠洲內(nèi)部設(shè)計的“綠度”，主要受自然環(huán)境、人為因素、綠洲規(guī)模本身以及周圍環(huán)境的影響。自然環(huán)境惡劣，致造成綠洲規(guī)模變小，應(yīng)使用較大的價值，反之亦然，以保持綠洲的穩(wěn)定，價值H0一般在0.75～1的值；Ac代表適宜的耕地面積，km2；Kt表示耕地利用系數(shù)或耕地占綠洲總面積的百分比?？紤]到綠洲對森林、運(yùn)河、道路和居民區(qū)的占用，不應(yīng)超過70%。

除了上述數(shù)學(xué)模型，可以把水量平衡方法和水熱平衡方法結(jié)合起來計算適宜的綠洲規(guī)模。方法如下：

干旱盆地的大部分山前平原綠洲為橢圓形。為了方便研究，我們可以假設(shè)一般在綠洲有三個同心圓層。內(nèi)圈代表綠洲農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)，包括農(nóng)田以及耕地防風(fēng)林帶。第二個圓圈和內(nèi)圈之間的區(qū)域代表防風(fēng)防沙林帶，第三圈和第二圈之間的區(qū)域稱之為灌草固沙帶。根據(jù)水平衡原則：

ΔW=kA1·ET11×10-5+(1-k)A1·ET12×10-5+

A2·ET2×10-5+A3·ET3×10-5

(8)

ΔW=W-W1-W2

(9)

式中：△W表示可用于綠洲的水資源量，億m3；W表示綠洲的水資源總量，億m3；W1表示生活用水量；W2表示工業(yè)用水量，億m3；A1表示內(nèi)環(huán)綠洲農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)面積，km2；ET11表示農(nóng)田作物的年需水量，mm；ET12表示農(nóng)田防護(hù)林的年需水量，mm；A2表示第二環(huán)與內(nèi)環(huán)之間的防風(fēng)防沙林面積，km2；ET2表示第二環(huán)和內(nèi)環(huán)之間的防風(fēng)和防沙區(qū)的年需水量，mm；A3表示第三環(huán)和第二環(huán)之間防風(fēng)固沙灌木區(qū)的面積，km2；ET3表示第三環(huán)和第二環(huán)之間的防風(fēng)固沙灌木區(qū)的年需水量，mm；K表示耕地與綠洲農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)的比例。

A1=πR2

(10)

A2=π(R+BY)1-πR2

(11)

A3=π(R+BT+WW)2-π(R+BY)2

(12)

圖1 綠洲結(jié)構(gòu)平面圖Fig.1 The structure plane diagram of oasis

適宜綠洲規(guī)模為：

(13)

適宜耕地面積為：

Ac=A·kt

(14)

3 適宜綠洲規(guī)模的實(shí)證分析——以且末為例

3.1 且末的概況

且末縣位于新疆南部腹地，塔里木盆地東南方向，占地面積達(dá)14.025 萬km2。在總面積中，山區(qū)面積為6.23 萬km2，占44.42%；沙漠面積5.38 萬km2，占38.37%；山前傾斜平原面積為2.41 萬km2，占17.21%。且末縣靠近沙漠，沙塵天氣占據(jù)每年的1/3時間，夏季干燥炎熱、冬季寒冷少雨，年平均降水量18.6 mm，而年蒸發(fā)量高達(dá)2 506.9 mm，降水量稀少已成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要原因。

3.2 適宜綠洲規(guī)模和適宜耕地面積

且末綠洲的現(xiàn)有面積為992.16 km2，現(xiàn)有耕地面積為150.88 km2，年度生態(tài)需水量為H′=303 781.65 m3/km2，實(shí)際年綠洲單位面積的可利用水資源的量是H=325 370.69 m3/km2,供應(yīng)和需求之間的差為△H =21589.04 m3/km2，耕地需水量為h=575 445 m3/km2。通過水量平衡法得出且末綠洲的適宜規(guī)模[式(1)，(2)，(3)]為S′=1 062.67 km2，適宜耕地面積為S″=336.59 km2?，F(xiàn)有的綠洲規(guī)模小于適宜規(guī)模，需要增加70.51 km2綠洲面積和185.71 km2的耕地面積?？梢钥闯?，可以在不確定穩(wěn)定性的情況下擴(kuò)展綠洲面積。

地表水資源主要組成了綠洲的年平均凈用水量。綠洲消耗的地表水主要來自Cheerchen河。灌溉區(qū)主要通過灌溉和渠道灌溉滲入地下，因此灌溉區(qū)的實(shí)際凈耗水量不多，其中水的凈消耗量w為3.271 億m3；綠洲內(nèi)工業(yè)化水平比較低，年均工業(yè)及人畜凈耗水量w1為426.022 億m3；年平均降雨量r為18.6 mm；研究區(qū)作物蒸散量ET0為642 mm，綠洲內(nèi)設(shè)計綠度為0.75～1.0。小麥、玉米、棉花、油籽、蔬菜、水果等作物的植被系數(shù)取0.85。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，通過水熱平衡法[式(5)]計算的水熱平衡指數(shù)H0是0.535 8。

表1 綠洲穩(wěn)定性劃分表Tab.1 Division of Oasis Stability

從表1可以分析出：且末綠洲的生態(tài)系統(tǒng)退化嚴(yán)重、且處于亞穩(wěn)定穩(wěn)態(tài)。水資源的缺少將會影響到綠洲的持續(xù)發(fā)展。因此，必須合理用水，加強(qiáng)和改善綠洲的發(fā)展管理。適宜的綠洲規(guī)模為609.22～812.29 km2[公式(6)]。在現(xiàn)有資源條件下，綠洲面積達(dá)992.16 km2，綠洲適宜的可耕地面積為92.65～123.53 km2(公式7)，現(xiàn)有耕地面積為150.89 km2。根據(jù)計算，且末綠洲現(xiàn)有規(guī)模和現(xiàn)有耕地面積均大于適宜規(guī)模，也比適宜規(guī)模和適宜耕地面積大0.2～0.6倍。

4 討 論

利用以上兩種方法計算綠洲適宜規(guī)?？梢钥闯觯河嬎憬Y(jié)果不精良，在使用水量平衡法進(jìn)行分析時，需要擴(kuò)大綠洲面積；采水熱平衡法分析時，得出需要政策資金改善綠洲生態(tài)環(huán)境，而不能擴(kuò)大綠洲面積。在這兩種方法的選取上，筆者認(rèn)為：先要分析干旱區(qū)綠洲的特征，篩選出適合解析的方法和參數(shù)，然后將分析結(jié)果與現(xiàn)實(shí)情況相結(jié)合判定。

1990年，基于生態(tài)平衡，陳昌毓等人首先提出了適宜的綠洲水量平衡模型。他通過分析實(shí)際年水資源量及實(shí)際年生態(tài)需水量的供求差，進(jìn)而確定綠洲與農(nóng)田面積是否適宜。通過對河西走廊流域?qū)嶋H降水量的分析，測算了綠洲水資源總量及需水量，適宜的綠洲面積和適宜的耕地面積，以及現(xiàn)階段綠洲穩(wěn)定性狀況。在人工綠洲中，這些預(yù)測綠洲規(guī)模的模型具有較大的實(shí)用性。相對于天然綠洲，由于其內(nèi)部控制機(jī)制復(fù)雜，諸多問題還需要進(jìn)一步研究。而常用的水量平衡方法是原始模型。該方法雖然存在許多影響因素，導(dǎo)致確定綠洲穩(wěn)定性不具有準(zhǔn)確性，但可以確定大概綠洲適宜性規(guī)模。

2002年，王仲景分析了綠洲景觀特征及其相應(yīng)的水熱平衡關(guān)系，提出了水熱平衡模型，該模型是基于現(xiàn)代經(jīng)濟(jì) - 水熱平衡的綠洲適宜綠度及評價綠洲穩(wěn)定性和發(fā)展方向的一種新的計算方法。其最大的優(yōu)勢在于快速判斷，在綠洲水資源開發(fā)和利用規(guī)劃方面，以及研究干旱地區(qū)河流流域適宜綠洲的規(guī)模都較合適?？傊?，綠洲的分布在較大程度上是由地表水使用的空間變化所決定。干旱地區(qū)河流上游土地開發(fā)強(qiáng)度將增加，下游水資源將減少。這樣會形成綠洲上游面積大、下游面積小的特征，利用水熱平衡法計算出的“綠度”可以反映出綠洲的現(xiàn)狀特征以及適宜性面積。綜上，水熱平衡法是目前最符合于且末綠洲的實(shí)際情況，它是計算干旱區(qū)綠洲適宜規(guī)模的最佳模型。

利用第三種方法計算的適宜綠洲規(guī)模和利用水熱平衡法求出的適宜綠洲規(guī)模實(shí)際上是一樣的，只是方法不同，雖然最后得到的適宜規(guī)模相同，不過此方法對綠洲內(nèi)部的分類較詳細(xì)，可以獲取更多的數(shù)據(jù)，可為全面調(diào)整綠洲內(nèi)外部關(guān)系做出最優(yōu)解答，有利于保證綠洲生態(tài)穩(wěn)定性和可持續(xù)發(fā)展。但此種方法的參數(shù)比較多，工作量較大，獲取數(shù)據(jù)也比較難，因此，根據(jù)綠洲的實(shí)際情況，研究要求和數(shù)據(jù)來源，可以利用該模型計算適宜規(guī)模。

5 結(jié) 論

(1)采用水量平衡法計算出且末綠洲適宜的規(guī)模1 062.67 km2，且末綠洲適宜耕地面積為336.59 km2。綠洲的現(xiàn)有規(guī)模及現(xiàn)有耕地面積比適宜規(guī)模小，需增加70.51 km2的綠洲面積和185.71 km2的耕地面積。因此，可以擴(kuò)大綠洲面積，而不能確定穩(wěn)定性。

(2)采用水熱平衡法來計算的且末綠洲適宜規(guī)模是609.22～812.29 km2，且末綠洲適宜耕地面積是92.66～123.55 km2。綠洲現(xiàn)有規(guī)模面積及現(xiàn)有耕地面積均超過適宜規(guī)模0.2～0.6 倍，綠洲的面積不宜繼續(xù)擴(kuò)大。

(3)水量平衡法是以綠洲和耕地單位面積用水量為基礎(chǔ)的，該方法具有計算簡單、參數(shù)小，對綠洲適宜性規(guī)模相關(guān)因素不多，雖不能顯示出綠洲現(xiàn)狀特征，但作為判斷綠洲適宜性規(guī)模是非常有效的。

(4)水熱平衡模型相對于其他方法具有復(fù)雜性和參數(shù)多的特征，影響因素也較多，所得的結(jié)果是區(qū)間范圍。綠洲穩(wěn)定性是由綠度和水熱平衡指數(shù)共同決定，綠度可以反映一般綠洲的現(xiàn)狀特征和穩(wěn)定性，是比水量平衡法更適合綠洲地區(qū)。

(5)通過模型分析出且末綠洲穩(wěn)定性指數(shù)為0.535 8，綠洲穩(wěn)定指數(shù)下降、生態(tài)系統(tǒng)衰減，綠洲需要更多的政策資金加以保護(hù)。

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